Российские учёные оптимизировали 3D-печать алюминиевой бронзы для теплонагруженных компонентов

Алюминиевая бронза (Cu-9.5Al-1Fe) представляет значительный интерес для аддитивных технологий благодаря высокой теплопроводности, превышающей показатели стали и титана, и лучшей технологичности по сравнению с чистой медью. Однако 3D-печать медных сплавов сталкивается с фундаментальными проблемами: высокой отражательной способностью материала и быстрым отводом тепла. Эти факторы приводят к образованию дефектов — пор несплавления и пористости типа «замочной скважины», возникающей из-за нестабильной паровой воронки в расплаве.

Экспериментальные результаты и механические свойства

В ходе исследования учёные варьировали плотность энергии от 125 до 938 Дж/мм³, изменяя мощность лазера (90-150 Вт) и скорость сканирования (100-600 мм/с). Было установлено, что при низкой плотности энергии преобладают поры несплавления, а при высокой — поры типа «замочной скважины», характерные для нестабильного режима глубокого проплавления. Общий уровень пористости во всех режимах оставался на уровне около 5%.

Несмотря на остаточную пористость, образцы продемонстрировали механические характеристики, превышающие показатели литой алюминиевой бронзы. Предел прочности составил до 748 МПа, а относительное удлинение — до 16,2%, что приближается к параметрам никель-алюминиевой бронзы (Ni-Al-Bronze), традиционно используемой в тяжелонагруженных узлах.

Как отметил доцент Центра технологий материалов Сколтеха и соавтор работы Станислав Евлашин, ключевым фактором стало понимание механизмов перехода между дефектами различного типа, а не просто повышение энерговклада. Это позволяет прогнозировать свойства материала на этапе подбора параметров печати даже при использовании оборудования с ограниченной мощностью лазера.

Микроструктурные изменения и тепловые характеристики

Особое внимание в работе было уделено изменению фазового состава. В процессе сверхбыстрой кристаллизации, характерной для лазерного плавления, были обнаружены фазы, нетипичные для равновесной структуры алюминиевой бронзы: прослойки типа Al₂Cu и наночастицы Cu₃Fe. Эти структуры формируются благодаря скоростям охлаждения до 10⁷ К/с и влияют на баланс прочности и пластичности, а также тепловые характеристики.

Исследователи установили прямую корреляцию между плотностью дислокаций, теплопроводностью и электропроводностью. С ростом энерговклада плотность дислокаций снижается, происходит перераспределение алюминия в структуре, что ведёт к повышению теплопроводности без видимого ухудшения механических характеристик. При этом пористость оказывает незначительный эффект.

Измерения теплопроводности проводились в диапазоне от 5 до 575 К с использованием двух независимых методов — PPMS и лазерный флэш-анализ. Теплопроводность образцов, полученных с высокой плотностью энергии, достигает 47 Вт/(м·К) при комнатной температуре, что близко к значениям для литого материала, но при значительно более высокой прочности.

Результаты исследования открывают возможность производства сложных по форме компонентов для теплообменников, охлаждаемых элементов энергетических установок и корпусов силовой электроники с помощью селективного лазерного плавления. Материал демонстрирует сочетание высокой прочности и теплопроводности, что делает его перспективным для применений в условиях интенсивного теплового воздействия.